9月7日，在2022第四屆全球新能源與智能汽車供應(yīng)鏈創(chuàng)新大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員黃學(xué)杰表示，第二代大家都知道磷酸鐵鋰和三元是目前的主流動(dòng)力電池，高質(zhì)量發(fā)展需要升級(jí)，我會(huì)講鐵鋰電池的升級(jí)型，即5V的尖晶石型鎳錳酸鋰電池，還有三元的升級(jí)型、1000Wh/L的高密度高端動(dòng)力電池。

以下是中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員黃學(xué)杰的演講實(shí)錄：

感謝中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)的邀請(qǐng)，有機(jī)會(huì)在這兒來和大家分享基于材料革新的下一代動(dòng)力電池的情況，因?yàn)檫@是一個(gè)命題報(bào)告，我將會(huì)按照要求把這個(gè)下一代電池觀點(diǎn)跟大家分享。

主要是介紹第三代電池是什么，第二代大家都知道磷酸鐵鋰和三元是目前的主流動(dòng)力電池，高質(zhì)量發(fā)展需要升級(jí)，我會(huì)講鐵鋰電池的升級(jí)型，即5V的尖晶石型鎳錳酸鋰電池，還有三元的升級(jí)型、1000Wh/L的高密度高端動(dòng)力電池。

為什么它們是下一代？這一代我剛才講的是磷酸鐵鋰和三元電池，第它們之上的一代是錳酸鋰電池，當(dāng)然現(xiàn)在只能用在兩輪車上了，是因?yàn)楫?dāng)年的老聆風(fēng)（Leaf）賣得再好，也只有200多公里的續(xù)航里程。今天的鐵鋰和三元電池基本上解決了電動(dòng)車?yán)锍探箲]問題，所以電動(dòng)汽車的滲透率很快到了20%以上。

在電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池的會(huì)議上我總會(huì)致敬Goodenough教授和Armand教授這兩位老先生，一位提出了磷酸鐵鋰可作為正極材料，一位是在磷酸鐵鋰上包覆碳，不管因?yàn)槭裁丛?，至今磷酸鐵鋰材料和電池99%都在中國(guó)生產(chǎn)，支撐了我們當(dāng)年從大車、小車同步發(fā)展電動(dòng)車輛的路線，到今天為我國(guó)在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，乃至在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)奠定了相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

三元材料電池適用于長(zhǎng)里程的電動(dòng)汽車，大家期待它可變得更長(zhǎng)，但是不希望它不安全，也不想接受電池非常之貴得現(xiàn)狀，這個(gè)時(shí)候我們?cè)撟鲂┦裁矗恳o它進(jìn)行升級(jí)。升級(jí)有兩條路線，一條路線是升電壓，同時(shí)也是降成本的方式。一條路線是升容量，大多數(shù)情況下是增成本，但是我考慮三代電池高端的也必須降成本。

對(duì)電池產(chǎn)品來說不是說我們提高了5%，提高了10%，就算得上換了一代。我認(rèn)為一代對(duì)一代的改進(jìn)，如果不是性能倍增，那也應(yīng)該是50%能量密度的提升，也還要有百分之幾十成本的下降，這才能叫代際的變革，否則不是，那同一代里面的漸變優(yōu)化。

其實(shí)今天大家常說的能量密度都是在講比能量量，就是單位重量電池里面儲(chǔ)存的能量，現(xiàn)在做到什么水平呢？三元電池最高做到300Wh/kg，磷酸鐵鋰電池好的也做到200Wh/kg。

對(duì)于今天的電動(dòng)乘用車，要真正回到談能量密度即單位體積的能量了，下一代電池重要的指標(biāo)是能量密度50%以上的提升。這種提升不是說加一點(diǎn)錳，加一點(diǎn)鐵錳鋰，加一點(diǎn)鎳，或者加減一點(diǎn)鈷能夠做到的，這事要基于材料的變革。鐵鋰電池是高安全、成本低，對(duì)資源的占用率低，我們能不能把鐵鋰電池代表的普及型電動(dòng)車輛電池能量密度提高50%，同時(shí)讓它更安全，成本更低?；A(chǔ)材料就是鎳錳酸鋰，1公斤碳酸鋰來做第一代錳酸鋰電池，差不多能做1.7千瓦時(shí)，做三元電池電量還少一點(diǎn)，做磷酸鐵鋰能夠做2.1千瓦時(shí)，所以磷酸鐵鋰便宜，不僅僅是鐵便宜，碳酸鋰每個(gè)千瓦時(shí)用碳酸鋰得也少。但是如果做鎳錳酸鋰電池，1公斤的碳酸鋰能夠做2.95千瓦時(shí)，這大幅度減少了碳酸鋰的用量，對(duì)資源利用率是有價(jià)值的。當(dāng)然，還有無鈷低鎳在分子式上是能夠看到的。

挑戰(zhàn)是什么呢？必須充電到4.9V，不像鐵鋰充到3.65V，也不是三元充到4.2V或者4.3V。電壓高了自然有更高的能，如用同樣的水提高水頭可以發(fā)出更多的電，但是修三峽大壩的難度比葛洲壩是大幅度增加了，水泥不一樣了，砂漿也一樣了，石頭的要求可能都不一樣，這里面要做的改進(jìn)很多。

今天基于材料技術(shù)的進(jìn)步，解決了正極材料本身上的穩(wěn)定性問題，它充到4.9V，即使是在55度的情況下，循環(huán)性能也勝過今天某典型三元材料。但如同修三峽大壩，光石頭好也不行，水泥、砂漿等也得好，粘接劑、導(dǎo)電的添加劑，乃至集流體表面處理，都得要滿足這個(gè)高壓充電的要求，這才能夠承受更高的電壓。

這件事情做成了，我們就能夠用更少的鋰來做出單位體積容量增加50%的軟包電池，，這樣的電池能夠循環(huán)3000次以上。同時(shí)，保持了高安全性能、優(yōu)越的低溫性能，它的低溫性能可以跟錳酸鋰相媲美，這是也一個(gè)重要的性能。

今天在位于珠三角松山湖材料實(shí)驗(yàn)室建成的材料中試線和電芯中試線，是在推圓柱形、軟包形、方殼形三款電芯，正與同行一起，一起做測(cè)試看一看它能不能夠成為我們電池車輛的下一電池代。這是我們分別運(yùn)行的分別位于實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)園區(qū)兩個(gè)基地，一個(gè)是材料的研發(fā)和中試基地，一個(gè)是電池的研發(fā)和中試基地。

我想接著大家可能會(huì)問，三元電池有沒有升級(jí)版？剛才我講的鎳錳酸鋰電池可做到650Wh/L，也比今天的三元?jiǎng)恿﹄姵馗卟涣硕嗌伲绾文馨涯芰棵芏忍嵘?0%呢？即提升到1000Wh/L。2019年開始，科技部在變革性技術(shù)專項(xiàng)中布局了一項(xiàng)高體積能量密度的電池項(xiàng)目，?；诓牧系淖兏?，不再以Wh/kg作為指標(biāo)，包括正極材料指標(biāo)是以Wh/L為單位，不再是以mAh/g作為指標(biāo)，負(fù)極材料是以Ah/L作為指標(biāo)，也不再以mAh/g作為它的目標(biāo)，項(xiàng)目正在執(zhí)行過程中。

已取得什么結(jié)果呢？跟大家先匯報(bào)一部分。

第一，基于層狀的以鎳為主的材料，比容量很高，怎么樣把它的密度提高，把它做成致密的材料？請(qǐng)看這個(gè)材料能量密度已經(jīng)超過3000Wh/L（相對(duì)于金屬鋰）。第二，要對(duì)它進(jìn)行致密化的處理，因?yàn)檫@樣的材料是沒法做成單晶的。大家知道，鎳811很難做成單晶，鎳90幾乎不可能做成單晶，而我們的辦法，就是把納米一次離子聚集的多晶做成致密性的二次球材料，做把它穩(wěn)定下來。當(dāng)然這個(gè)材料技術(shù)也用到現(xiàn)狀三元體系中。

另外用什么樣的辦法讓負(fù)極材料有更高的密度？可以把合金化儲(chǔ)鋰的材料，比如說硅、錫裝到銅的皮囊里面去，這個(gè)時(shí)候就能夠增加它的密度，在維持良好循環(huán)性能的情況下，同時(shí)保持高密度。之間導(dǎo)電的鏈接=可用錫線把它串起來，錫是一種比硅的密度高約兩倍多的材料，我們這個(gè)時(shí)候考慮更多的是采用一些高密度的材料，作為它的電極。當(dāng)然，現(xiàn)在這些階段性成果也用在今天的二代電池里面，現(xiàn)在也有人在二代電池里面開始用它。該項(xiàng)目目標(biāo)是出1000Wh/L的動(dòng)力電池，去年中期做到750Wh/L，今年底大概做到850~900Wh/L，到2024年有望達(dá)到1000Wh/L。

這些都不是一家單位能做成的，過去是我們自己努力，現(xiàn)在是邀請(qǐng)同行單位一起努力，所以我們?cè)谒缮胶四茉床牧吓c器件的創(chuàng)新工廠，與不少企業(yè)同行進(jìn)行合作，他們都是我們的下一代電池合作伙伴。這種合作機(jī)制對(duì)整車企業(yè)、電池企業(yè)、材料企業(yè)都是開放的，這個(gè)也是作為公共性的材料實(shí)驗(yàn)室的一部分對(duì)社會(huì)開放公共資源的重要嘗試，歡迎大家有機(jī)會(huì)到松山湖來指導(dǎo)，我們一起努力看看能不能夠在三代材料突破并走向動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化的過程中合作做一些事情。我們工廠有專門的服務(wù)體系，我們也盡可能提供相應(yīng)的支持。

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